Kleine, door licht aangedreven drones – wissenschaft.de
Kleiner dan bloedcellen en toch nauwkeurig gecontroleerd: onderzoekers hebben kleine drones ontwikkeld die kunnen worden voortgestuwd en bestuurd door de kracht van terugkaatsend licht. De functionaliteit van de propellers van de drone wordt overgenomen door optische motoren gemaakt van ingenieus gevormde gouddeeltjes. Het zijn nano-antennes die reageren op laserlicht van verschillende golflengten en polarisaties door het in specifieke richtingen uit te stralen. De terugstootkrachten die op deze manier worden gegenereerd, zetten de kleine drones in gerichte bewegingen of rotaties, afhankelijk van het type optische excitatie. Op deze manier kan het behendig door een vloeibaar medium worden gemanoeuvreerd, melden de onderzoekers.
Als we een laserpointer of een zaklamp in onze handen houden, merken we het effect niet – maar in principe is dat er wel: gericht licht kan een kracht uitoefenen die vergelijkbaar is met de luchtstroom. De stralingsdruk van de fotonenstroom kan echter alleen een significant effect hebben op kleine en lichte structuren. Dit is bijvoorbeeld te zien bij kometen: de zonnestralen kunnen hun staarten, gemaakt van kleine deeltjes, zichtbaar afbuigen. Deze kracht van licht is ook al geruime tijd een focus van technologie. Onderzoekers werken bijvoorbeeld aan manieren om lichte ruimtevaartuigen aan te drijven met behulp van optische zeilen. De technologie die nu wordt gepresenteerd door onderzoekers onder leiding van Bert Hecht van de Universiteit van Würzburg, is echter niet gebaseerd op het opvangen van de lichtstroom, maar op het gebruik van de terugstootkrachten die worden veroorzaakt door lichtdeeltjes wanneer ze een object verlaten.
Door licht aangedreven polymeerschijven
Ze gebruikten dit effect met als doel drones zo klein te maken dat ze ooit missies in de kleine wereld zouden kunnen uitvoeren. Zoals de wetenschappers uitlegden, was hun ontwerp gebaseerd op het basisprincipe van de beweging van gewone drones. In de zogenaamde quadcopterhelikopters zorgen vier onafhankelijke propellers voor gerichte luchtstromen, waarmee de bewegingen kunnen worden gecontroleerd. In de microscopische versies die zijn ontwikkeld door de Würzburg-wetenschappers, spelen optische actuatoren deze rol door licht controleerbaar in specifieke richtingen te sturen wanneer ze worden verlicht door laserlicht met verschillende eigenschappen.
De micro-drones bestaan uit een transparante schijf van polymeer met een diameter van 2,5 micron. Om de herkenning van de betreffende richting te vergemakkelijken, heeft de schijf een laterale spleet. Wetenschappers hebben tot vier optische actuatoren in deze structuren geïntegreerd, die afzonderlijk kunnen worden bestuurd. Het bestaat uit staafvormige gouddeeltjes in een specifieke opstelling. De samenstelling bepaalt op welk type straling ze reageren. “Deze actuatoren zijn gebaseerd op optische antennes die in Würzburg zijn ontwikkeld, dat wil zeggen op minuscule metalen structuren met afmetingen in het bereik van lichtgolflengten. Ze zijn ook speciaal geoptimaliseerd om circulair gepolariseerd licht te ontvangen”, zegt eerste auteur Xiaofei Wu.
Geleid door het uitgestraalde licht
Zoals de onderzoekers uitleggen, wordt het invallende licht zijdelings in specifieke richtingen uitgestraald door de respectieve actuatoren. “Dit gebeurt afhankelijk van de richting van de polarisatierotatie – met de klok mee of tegen de klok in – en van twee verschillende golflengten van licht”, zegt Wu. Door ze te bestralen met vier verschillende soorten straling, kunnen de actuatoren selectief worden geactiveerd met behulp van laserlicht. De resulterende terugstootkrachten zijn voldoende om de kleine drones gericht te bewegen en te roteren. Experimenten hebben aangetoond dat het snel en nauwkeurig kan worden gecontroleerd via een basis in een vloeibaar medium.
Zoals de Universiteit van Würzburg onlangs meldde, werkt het team nu aan het verder verbeteren van hun geavanceerde microvliegtuigen. Bovenal willen ze de vorige 2D-besturingsopties uitbreiden om ook de hoogte van de drones boven het oppervlak te regelen. Ze werken ook aan het bevestigen van gereedschappen aan kleine drones. Dit alles zou het overkoepelende doel moeten dienen: kleine, nauwkeurig gecontroleerde sondes zouden op een dag nanostructuren kunnen verzamelen, minuscule oppervlaktekenmerken kunnen analyseren of volgens de visie op medische missies kunnen worden gestuurd.
Bron: Universiteit van Würzburg, gespecialiseerd artikel: Natuur Nanotechnologie, doi: 10.1038/s41565-022-01099-z
“Analist. Schepper. Zombiefanaat. Fervente reisjunkie. Popcultuurexpert. Alcoholfan.”